I buchi neri sono oggetti astrofisici affascinanti. Da un secolo queste scoperte stupiscono il grande pubblico e i fisici di tutto il mondo, che ancora oggi le studiano con grande interesse. Un mistero rimanente è la sua composizione, che ancora oggi è poco conosciuta.
Cos’è un buco nero?
Il concetto di buco nero risale in Francia a Pierre-Simon de Laplace (1796), il quale si chiese se fosse possibile che un oggetto fosse così denso che la sua velocità di fuga (la velocità minima per liberarsi dalla gravità di una stella) ) è maggiore della velocità della luce (che è di circa 300.000 km/secondo).
La velocità di fuga è la velocità di cui un oggetto ha bisogno per sfuggire alla gravità della stella. Sulla Terra, la velocità di fuga è di 11,3 km/s (circa trentamila volte inferiore alla velocità della luce), il che significa che un oggetto come un razzo deve raggiungere questa velocità per fuggire nello spazio.
Se la massa della Terra fosse concentrata in una sfera di circa 9 mm di raggio, la gravità sarebbe molto maggiore e la luce resterebbe intrappolata. Quindi è necessario avere una stella molto più densa della Terra per intrappolare la luce.
Questa idea fu avanzata nel 1916, un anno dopo che Einstein pubblicò la sua teoria della relatività generale, dal fisico tedesco Karl Schwarzschild: egli dimostrò che un oggetto sufficientemente denso poteva impedire alla luce di fuoriuscire da esso.
Se la materia o la luce fossero contenute all’interno dell’orizzonte degli eventi di un buco nero, non potrebbero fuoriuscire: questo orizzonte è il “massimo” del buco nero. È la superficie della sfera il cui raggio è chiamato raggio di Schwarzschild (che è quindi il “volume del buco nero”). Questo raggio è proporzionale alla massa dell’oggetto ed è molto piccolo: un buco nero con massa simile a quella del Sole avrebbe un raggio di circa 3 km (contro i 700.000 km del Sole).
Oggi, grazie allo sviluppo delle tecniche di osservazione, è diventato possibile fotografare un buco nero. Ad esempio, questa è un’immagine del buco nero al centro della nostra galassia, Sagittarius A*.
Diversi scenari per la formazione del buco nero
È difficile sapere come si è formato un buco nero. Tuttavia, esistono diversi scenari di formazione del buco nero, a seconda della classe di massa del buco nero.
Se esiste un buco nero con massa simile a quella del Sole, parliamo di un buco nero stellare. Questi buchi neri si formano a seguito del collasso di una stella alla fine della sua vita. Quando una stella converte tutto l’idrogeno nel suo nucleo in elio, la gravità diventa più forte della pressione che spinge il materiale verso l’esterno, e il materiale collassa su se stesso sotto il proprio peso. Il nucleo diventa molto più denso e può trasformarsi in una nana bianca, una stella di neutroni o un buco nero (a seconda della massa della stella in questione). Allo stesso modo, una nana bianca può collassare a causa della gravità in una stella di neutroni o in un buco nero quando supera la massa di Chandrasekhar (circa 1,4 volte la massa del Sole); La stella di neutroni, a sua volta, può collassare in un buco nero quando raggiunge il limite di Tolman-Oppenheimer-Volkoff (pari a circa 2,5 volte la massa del Sole).
Due buchi neri stellari potrebbero fondersi per formare un buco nero più massiccio. Questo è ciò che accade con quelli che chiamiamo sistemi binari. Un sistema binario è formato da due stelle che orbitano l’una attorno all’altra, invece che da una singola stella come nel sistema solare. Un esempio ben noto nella cultura popolare è il pianeta Tatooine di Star Wars, che ha due soli.
Alcuni sistemi binari sono costituiti da un buco nero e una stella, o da due buchi neri. In questo caso, queste due stelle orbitano l’una intorno all’altra, avvicinandosi, fino a fondersi. Questo forma quindi un buco nero più grande del precedente. La fusione di due buchi neri è già stata osservata, in particolare attraverso le onde gravitazionali.
Esiste un altro tipo di buco nero: i buchi neri supermassicci, che hanno una massa compresa tra un milione e diversi miliardi di masse solari. Il buco nero al centro della Via Lattea, Sagittarius A*, è un buco nero supermassiccio: è oltre 4 milioni di volte più massiccio del Sole. Buchi neri supermassicci sono stati osservati anche nei centri di altre galassie. L’origine di questi buchi neri è ancora oggetto di grande dibattito. Una delle fonti attualmente preferite è il collasso gravitazionale di un’enorme nube di gas nell’universo primordiale.
I buchi neri sono stati a lungo un’ipotetica curiosità scientifica e oggi sono stati osservati dalla comunità scientifica. Rimangono però molti misteri, come la sua composizione, ma anche cosa esiste all’orizzonte…
L’autore desidera ringraziare in particolare il Dr. Stephane Marchandon (Facoltà di Biologia Industriale) per le interessanti discussioni e correzioni apportate a questo articolo.
Se anche tu hai una domanda, chiedi ai tuoi genitori di inviare un’e-mail a: [email protected]. Troveremo uno scienziato che ti risponderà. Nel frattempo potete leggere tutti gli articoli “Conversazione Junior”.
La versione originale di questo articolo è stata pubblicata su Dialogoun sito di notizie senza scopo di lucro dedicato allo scambio di idee tra esperti accademici e il grande pubblico.
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